Hugh David Politzer: El estudiante de posgrado que reescribió la fuerza fuerte

En 1973, un estudiante de posgrado de Harvard a quien aún le faltaban años para obtener un puesto académico descubrió que los quarks —las partículas que componen los protones y los neutrones— se comportan al revés de todo lo que los físicos esperaban: cuanto más cerca están entre sí, más débil se vuelve la fuerza entre ellos. Era un resultado lo suficientemente extraño como para que Politzer temiera inicialmente haber cometido un error. No fue así, y el hallazgo, calculado de forma independiente en el mismo momento por David Gross y Frank Wilczek en Princeton, les valdría a los tres hombres el Premio Nobel tres décadas después.

El hijo de una familia de refugiados en el Bronx

Hugh David Politzer nació el 31 de agosto de 1949 en la ciudad de Nueva York, en el seno de una familia con su propia historia de desplazamiento: sus padres habían huido de Checoslovaquia a Inglaterra en 1939, antes de la ocupación nazi, e inmigraron a los Estados Unidos después de la Segunda Guerra Mundial. Asistió a la Bronx High School of Science, la célebre escuela pública que ha producido una cantidad desproporcionada de laureados estadounidenses con el Premio Nobel, graduándose en 1966. Continuó sus estudios en la Universidad de Míchigan para obtener su licenciatura en física, completada en 1969, antes de trasladarse a Harvard para cursar sus estudios de posgrado, donde trabajó bajo la dirección del físico teórico Sidney Coleman y obtuvo su doctorado en 1974.

El cálculo que explicó el confinamiento de los quarks

La contribución decisiva de Politzer llegó antes de que terminara su doctorado. En 1973, siendo aún estudiante de posgrado, calculó qué le ocurre a la fuerza nuclear fuerte —la fuerza que mantiene unidos a los quarks dentro de los protones y neutrones— a medida que se reduce la distancia entre ellos. La intuición convencional, derivada de fuerzas como el electromagnetismo y la gravedad, sugería que las interacciones deberían intensificarse a corta distancia. Politzer descubrió lo contrario: la fuerza fuerte en realidad se debilita a medida que los quarks se aproximan entre sí, una propiedad que pasó a llamarse libertad asintótica. Al mismo tiempo y de manera totalmente independiente, David Gross y su estudiante de posgrado Frank Wilczek en Princeton llegaron a la misma conclusión. El artículo que publicó Politzer, junto con el trabajo de Gross y Wilczek, apareció en Physical Review Letters en 1973 y resolvió una auténtica paradoja en la física de partículas: explicó cómo la fuerza fuerte podía tanto mantener a los quarks confinados permanentemente dentro de partículas como los protones, como comportarse como si apenas existiera en los experimentos de colisión a alta energía que los físicos realizaban en ese momento, ya que a las distancias extremadamente cortas exploradas por esas colisiones de alta energía, la fuerza se debilita. El descubrimiento se convirtió en un pilar fundamental de la cromodinámica cuántica, la teoría que describe la interacción fuerte.

De Junior Fellow a profesor de Caltech

Tras completar su doctorado, Politzer pasó tres años, de 1974 a 1977, como Junior Fellow de la Harvard Society of Fellows, un puesto posdoctoral altamente selectivo que exime a los jóvenes investigadores de tareas docentes para dedicarse a la investigación. Luego se trasladó al Instituto de Tecnología de California (Caltech), incorporándose primero como profesor visitante en 1975, obteniendo plaza fija en 1976 y ascendiendo a catedrático en 1979. Ejerció como director del departamento de física de Caltech de 1986 a 1988 y finalmente ocupó la cátedra Richard Chace Tolman de Física Teórica. Más allá de la libertad asintótica, Politzer también trabajó con Thomas Appelquist en predicciones teóricas relacionadas con el charmonio, un estado ligado de un quark encanto y su antiquark, contribuyendo aún más al joven campo de la física de quarks en la década de 1970.

Un Premio Nobel, décadas después

El Premio Nobel de Física de 2004 fue otorgado conjuntamente a Politzer, David Gross y Frank Wilczek "por el descubrimiento de la libertad asintótica en la teoría de la interacción fuerte", reconociendo el trabajo que los tres habían completado en 1973, más de treinta años antes; un recordatorio de cuánto tiempo espera a veces el comité Nobel para confirmar que un resultado teórico ha resistido décadas de escrutinio experimental. Politzer ya había recibido reconocimientos anteriores por el mismo trabajo, incluido el Premio Sakurai de Física Teórica de Partículas en 1986 y el Premio de Física de Altas Energías de la Sociedad Europea de Física en 2003, y más tarde fue elegido miembro de la Academia Estadounidense de las Artes y las Ciencias en 2011.

Un físico fuera de los caminos trillados

Los intereses de Politzer fuera de la física de partículas han sido inusualmente públicos para un teórico. Toca el banjo y ha investigado la física de los instrumentos de cuerda, aplicando su formación profesional a un pasatiempo. En la década de 1980 actuó como vocalista principal de una banda con el irónico nombre "Professor Politzer and the Rho Mesons", un juego de palabras con la partícula subatómica. También hizo una aparición inesperada en la pantalla en la película de Hollywood de 1989 Fat Man and Little Boy, sobre el Proyecto Manhattan, interpretando al físico Robert Serber, lo que le dio, según cierto cálculo, un número de Erdős-Bacon de cinco, una medida humorística que combina la distancia de colaboración académica con la distancia de colaboración en la actuación cinematográfica.

Por qué se considera a Hugh un genio

El caso de la genialidad de Politzer se basa en un único cálculo profundamente contraintuitivo realizado mientras aún era estudiante, uno que iba directamente en contra de la intuición física que todas las demás fuerzas de la naturaleza habían enseñado a esperar a los físicos. Descubrir que una fuerza se vuelve más débil en lugar de más fuerte a corta distancia requería tanto un dominio técnico de la aún joven matemática de la teoría cuántica de campos como suficiente independencia de criterio para confiar en una respuesta que, a primera vista, parecía que debía ser errónea. La complicación más honesta de la historia es que el descubrimiento no fue exclusivamente suyo: David Gross y Frank Wilczek llegaron a la misma conclusión de forma independiente y esencialmente al mismo tiempo, y la decisión del comité Nobel de dividir el premio entre los tres refleja esa simultaneidad y no una disminución del trabajo de Politzer. Ese tipo de descubrimiento casi simultáneo es común en física cuando un campo está listo para una idea, y no borra el logro sino que lo contextualiza: la perspectiva de Politzer no fue un destello aislado de brillantez individual, sino la articulación inicial más precisa de una conclusión que las matemáticas subyacentes de la cromodinámica cuántica estaban, en cierto sentido, esperando que alguien notara.

Legado

La libertad asintótica sigue siendo una de las ideas fundamentales del Modelo Estándar de la física de partículas, sustentando los cálculos modernos sobre cómo se comportan los quarks y gluones dentro de los protones, neutrones y los restos de las colisiones de partículas de alta energía en instalaciones como el Gran Colisionador de Hadrones. Politzer continuó su carrera en Caltech durante décadas después del descubrimiento que lo dio a conocer, dejando un cuerpo de trabajo en física teórica acompañado por un conjunto inusualmente ecléctico de aficiones externas, desde la acústica del banjo hasta un papel secundario en el cine en uno de los dramas de Hollywood sobre el Proyecto Manhattan.